(57)【要約】【課題】ＧａＮ系受光素子において、受光層で受光されずに受光素子を通り抜ける光を減らし、且つ本来入射すべきことを想定していない基板裏面側からの光も受光してしまう不都合を防ぐことのできる構造を得る。【解決手段】基板１５と、その上に少なくともｐ型ＧａＮ系半導体１２と、ｎ型ＧａＮ系半導体１４と、これらにはさまれた受光層１３を有する半導体受光素子において、前記基板１５の裏面側に、六角錐又は円錐を多数配置して成るテクスチャ構造１６を設ける。【選択図】      図１
2005019578.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、その上に少なくともｐ型ＧａＮ系半導体と、ｎ型ＧａＮ系半導体と、これらにはさまれた受光層を有する半導体受光素子において、
前記基板の裏面側に六角錐又は円錐を多数配置して成るテクスチャ構造を有することを特徴とする半導体受光素子。
【請求項２】
請求項１の半導体受光素子において、
前記基板の材料が、サファイア、ＧａＮ、ＳｉＣ、ＺｎＯ、ＺｒＢ２、ＡｌＮのいずれかであり、その基板裏面に六角錐を多数配置して成るテクスチャ構造を有することを特徴とする半導体受光素子。
【請求項３】
請求項２記載の半導体受光素子において、
前記基板の材料がＧａＮであり、六角錐のテクスチャ構造がＧａＮ基板裏面の［０００−１］方向に配向していることを特徴とする半導体受光素子。
【請求項４】
請求項３記載の半導体受光素子において、
前記六角錐のテクスチャ構造の高さ、底辺の長さのいずれかが、１００ｎｍ〜１００μｍを有していることを特徴とする半導体受光素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の半導体受光素子において、
前記テクスチャ構造の上に金属膜を形成させたことを特徴とする半導体受光素子。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれかに記載の半導体受光素子において、
前記テクスチャ構造を基板裏面側からの受光層への入射光を選択的に抑制した構造とし、その上に金属膜を形成したことを特徴とする半導体受光素子。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の半導体受光素子において、
前記テクスチャ構造が、アルカリ性水溶液によりＧａＮ基板裏面側をエッチングすることで形成されていることを特徴とする半導体受光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化ガリウム系化合物半導体を用いて形成された、３９０〜５００ｎｍの波長範囲に受光感度を有する受光素子に関し、特に受光素子の構造に関するものである。なお、本明細書において単に「半導体受光素子」と言った場合、フォトトランジスタ、フォトダイオード、フォトサイリスタ、ＣｄＳセル等を含むが、太陽電池は含まない概念である。
【０００２】
【従来の技術】
情報機器分野において、情報媒体の読み取り、書き込みは光が主流である。その受光素子には、高集積化が望めるシリコンの受光素子を用いることが望ましい。
【０００３】
ところが、近年の情報社会の発達により、情報量が高密度化している。それらに対応するには、光ディスク等の記録媒体における情報量の高密度化を実現することである。その方法には、光記録情報の書き込み、読み出し操作やそのためのサーボ制御を行うための光のピックアップの光源として、６００ｎｍ以下の波長を有する光を使用する。その場合、シリコンの受光感度が低下する問題が発生する。
【０００４】
受光感度が低下する原因は、受光素子の表面状態などに変化が起こるためである。そのため、波長６００ｎｍ以下の短波長光に対して高い受光感度を示す新しい受光素子が期待されている。
【０００５】
３６５〜６３５ｎｍに感度を有する受光素子として、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層とｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層との間に受光層としてのＩｎＧａＮ層が挟まれたダブルヘテロ構造を有する受光素子（特開平７−２８８３３４号公報：特許文献１）がある。また３６５〜６３５ｎｍに感度を有する受光素子の受光感度を改善させた受光素子としてＩｎＧａＮ層とＧａＮ層を交互に何層も積層させた多重量子井戸構造（特開２００１−００７３７９号公報：特許文献２）を用いた受光素子がある。
【０００６】
【特許文献１】
特開平７−２８８３３４号公報
【０００７】
【特許文献２】
特開２００１−００７３７９号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＧａＮ系受光素子において、多重量子井戸構造中には多数の格子欠陥が存在し、これに起因した入射光の吸収が起こるため受光感度が低くなる。また、受光したい光は基板表面側からの入射を想定しているが、本来入射すべき方向以外からの入射光、例えば受光素子周囲に存在する検出すべき発光素子以外からの光が、基板裏面側から入射するため誤動作する問題がある。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ＧａＮ系受光素子において受光層で受光されずに受光素子を通り抜ける光を減らし、且つ本来入射すべきことを想定していない基板裏面側からの光も受光してしまう不都合を防ぐことのできる構造とした半導体受光素子を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。
【００１１】
請求項１の発明に係る半導体受光素子は、基板と、その上に少なくともｐ型ＧａＮ系半導体と、ｎ型ＧａＮ系半導体と、これらにはさまれた受光層を有する半導体受光素子において、前記基板の裏面側に六角錐又は円錐を多数配置して成るテクスチャ構造を有することを特徴とする。受光層としては、Ｉｎ１−ｘＧａｘＮ層及びＧａＮ層を必要周期分含む多重量子井戸構造（ＭＱＷ）や、Ｉｎ１−ｘＧａｘＮ層（０＜ｘ＜１）がある。
【００１２】
請求項２の発明は、請求項１の半導体受光素子において、前記基板の材料が、サファイア、ＧａＮ、ＳｉＣ、ＺｎＯ、ＺｒＢ２、ＡｌＮのいずれかであり、その基板裏面に六角錐を多数配置して成るテクスチャ構造を有することを特徴とする。
【００１３】
請求項３の発明は、請求項２記載の半導体受光素子において、前記基板の材料がＧａＮであり、六角錐のテクスチャ構造がＧａＮ基板裏面の［０００−１］方向に配向していることを特徴とする。ここに［０００−１］は、（０００−１）面に垂直な方向を意味する。
【００１４】
請求項４の発明は、請求項３記載の半導体受光素子において、前記六角錐のテクスチャ構造の高さ、底辺の長さのいずれかが、１００ｎｍ〜１００μｍを有していることを特徴とする。
【００１５】
請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体受光素子において、前記テクスチャ構造の上に金属膜を形成させたことを特徴とする。
【００１６】
請求項６の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体受光素子において、前記テクスチャ構造を基板裏面側からの受光層への入射光を選択的に抑制した構造とし、その上に金属膜を形成したことを特徴とする。
【００１７】
請求項７の発明は、請求項１〜６のいずれかに記載の半導体受光素子において、前記テクスチャ構造が、アルカリ性水溶液によりＧａＮ基板裏面側をエッチングすることで形成されていることを特徴とする。
【００１８】
［発明の要点］
本発明の要点は、従来のＧａＮ系受光素子の基板裏面側に六角錐のテクスチャ構造を形成することにより、受光層で受光できなかった光を反射させて再受光をさせて、受光層で受光されずに素子を通りすぎてしまう光を減らす。さらに受光する光を基板表面側からと選択性を持たせたことにある。
【００１９】
説明を補足するに、ＧａＮ系受光素子において、一度受光層で受光できなかった光は受光素子を通り抜けてしまい再び受光されることはない。しかし、前述した六角錐のテクスチャ構造をＧａＮ基板裏面側に形成することにより受光層で受光できなかった光はテクスチャ構造を形成したＧａＮ基板裏面において反射されて、受光層に光が戻ってきて再受光が可能になる。このことにより、受光感度が増加するということになる。
【００２０】
なお、基板裏面側から入射する光は六角錐のテクスチャ構造により受光層への入射を防ぎ、基板表面側からの入射光のみを検出するため、誤動作を防ぐ効果もある。
【００２１】
六角錐のテクスチャ構造は、六方晶であるＧａＮの裏面を、水酸化カリウム（ＫＯＨ）又は苛性ソーダ（ＮａＯＨ）のアルカリ性水溶液に、室温から１２０℃に温度を上げて浸すことにより、ＧａＮ基板裏面側に六角錐のテクスチャ構造が形成されるが、なかでもアルカリ性水溶液の温度が５０〜１１０℃程度で、エッチング時間が３０秒〜３時間程度が、六角錐のテクスチャ構造を形成するには最適である。
【００２２】
上記テクスチャの形成では、結晶面によってアルカリ性溶液に溶け出す速度が違うことを利用している。すなわち、図３において、基板１５の平らな面１５ａは溶ける速度が速く、逆に斜めの面１５ｂは遅いために、エッチングが進むにつれて斜めの面のみが残り、テクスチャが形成される。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。
【００２４】
［実施例１］
添付図面に基づき、本発明の実施例を説明する。
【００２５】
図１は本発明の実施形態の受光素子の構造を、模式的に示す断面図である。
【００２６】
図１の受光素子の構成では、（０００１）面を表面とするＧａＮ基板１１の面上に、ｎ型ＧａＮバッファ層１４を、その上に受光層としてＩｎ１−ｘＧａｘＮ及びＧａＮ層を２０周期分含む多重量子井戸構造（ＭＱＷ）１３を、そしてｐ型ＧａＮ層１２を順次形成し、その上にｐ型電極１１を設けると共に、裏面側にｎ型電極１７を設けた構成となっている。しかし、特にこれらに限定されるものではない。
【００２７】
上記のｎ型電極１７としての金属膜の形成に先立ち、ＧａＮ基板１５の裏面には、六角錐のテクスチャ構造１６が形成される。次に、このＧａＮ基板１５の裏面に六角錐のテクスチャ構造１６を形成する方法について説明する。
【００２８】
ＧａＮ基板１５は、受光素子を形成した後、六角錐のテクスチャ構造１６を形成する目的で、ＮａＯＨ、ＫＯＨのアルカリ性水溶液（水溶液の濃度は０．０１Ｎ〜１０Ｎ）を、室温から１２０℃の範囲において数秒から数時間加熱して数時間以上エッチングする。このエッチングにおいては、平らな面と傾斜面での溶ける速度の違いに起因して、六方晶であるＧａＮ基板１５裏面に、多数の六角錐を配置した凹凸構造（テクスチャ構造１６）が形成される。このようにして六角錐のテクスチャ構造１６をＧａＮ基板１５裏面に形成する。
【００２９】
このときエッチング時間の長さにより、形成される六角錐のテクスチャ構造１６のサイズが変化し、エッチング時間が短いほど六角錐のテクスチャ構造１６のサイズ、数ともに小さい。逆にエッチング時間が長いほど六角錐のテクスチャ構造１６の個数、サイズが大きくなる。
【００３０】
このような手段により、ＧａＮ基板１５裏面に、六角錐のテクスチャ構造を形成する。このとき受光層に歪や欠陥を導入することなしにテクスチャ構造を形成することが出来る。
【００３１】
なお、基板は光の散乱により無色透明のものが白濁することにより基板が配置されている位置がわかり、受光素子をパッケージにする上で目印になる。さらに、基板裏側からの入射光を散乱させ基板表面からの光のみを受光できる特性をもたせることができる。さらに基板裏面の表面積が増加するので、放熱特性が改善し、素子構造にしたとき樹脂との密着度が高くなることも挙げられる。
【００３２】
［実施例２］
以上はＧａＮ基板であったが、基板材料が（０００１）ＡｌＮ（ここでは示していない。）上に上記の構成を作製して行っても良い。
【００３３】
［応用例］
以上は受光素子においてであるが、受光素子以外への応用例について説明する。なお従来例と同一構成要素は、同一符号を付して説明は省略する。実施例１、２は受光素子の例であるが、図２においては、ＧａＮ基板２３上にＧａＮ層２２、その上にｎ型ＡｌＧａＮ層２１を形成した高周波デバイス素子において、ＧａＮ基板２３裏面に上記記載のテクスチャ構造２４を形成する。これにより、放熱特性が従来のものよりは改善される。
【００３４】
［最適条件についての根拠］
基板裏面に六角形の構造を形成するには、ＫＯＨ、ＮａＯＨのアルカリ性水溶液の温度が低すぎたり濃度が高すぎると、受光素子の表面や側面にダメージを与えてしまい、良くない。請求項で請求されている「六角錐のテクスチャ構造の高さ、底辺の長さのいずれかが、１００ｎｍ〜１００μｍを有している」という六角錐のテクスチャ構造１６の大きさは、実験で試行錯誤的に求めた値である。
【００３５】
［他の実施例、変形例］
上記実施例では、六角錐のテクスチャ構造について説明したが、本発明は六角錐のテクスチャ構造に限られるものではなく、ピラミッドや円錐のような突起物による凹凸構造を形成することでも、受光感度の改善や基板裏面側からの入射光を抑制することができ、信頼性が向上する。
【００３６】
また、テクスチャ構造の形成方法についても、上記実施例で述べたアルカリ性水溶液によるエッチングだけでなく、ＭＢＥ、ＭＯＣＶＤ法などの成長によっても形成することができる。円錐の形成は、アルカリ性水溶液に代わり、エッチャントに燐酸やそれに硫酸を加えた燐酸硫酸（燐酸：硫酸＝１：１）により１時間以上エッチングすることにより形成できる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の半導体素子によれば、ＧａＮ基板裏面側に六角錐又は円錐のテクスチャ構造を形成したことにより、ＧａＮ系受光素子において、受光層で受光されずに受光素子を通り抜ける光を減らし、且つ本来入射すべきことを想定していない基板裏面側からの光も受光してしまう不都合を防ぐことができる。六角錐のテクスチャ構造を形成する方法としてウエットエッチング法を用いるので、枚葉式に対応し、コスト面においても安くできるため、実用化に適している。
【００３８】
よって本発明により、既存品に比べて受光感度が高く、信頼性が高い受光素子を供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基板裏面側にテクスチャ構造を形成した受光素子を示した図である。
【図２】基板裏面側にテクスチャ構造を形成した高周波素子を示した図である。
【図３】湿式エッチングによりテクスチャ構造が形成される原理を示した図である。
【符号の説明】
１１  ｐ型電極
１２  ｐ型ＧａＮ層
１３  多重量子井戸構造（ＭＱＷ）
１４  ｎ型ＧａＮバッファ層
１５  ＧａＮ基板
１６  テクスチャ構造
１７  ｎ型電極
【図１】
2005019578.tif 000003
【図２】
2005019578.tif 000004
【図３】
2005019578.tif 000005